Калинников В.Т., академик РАН, Председатель КНЦ РАН, директор ИХТРЭМС
Николаев А.И., чл.-корр. РАН, зам. директора ИХТРЭМС

Современные химические технологии производства стратегических и импортозамещающих продуктов из Кольского минерального сырья

Технологическая и военно-политическая безопасность страны не могут быть гарантированы без организации стабильного обеспечения оборонно-промышленного комплекса (ОПК) стратегическими материалами (СМ). В их число входят легирующие металлы для производства сталей и спецсплавов, цветные, редкие металлы и редкоземельные элементы для полупроводников, керамики, оптики и производства электроники(это здесь - https://a-contract.ru/) и других новых материалов двойного назначения, а также минерально-сырьевые концентраты. Без СМ невозможно поддержать на должном уровне бесперебойную работу ОПК и жизнеобеспечение страны в период изоляции от внешнего рынка вследствие политических или военных конфликтов. Масштабы потребления СМ и в частности редких металлов (РМ) служат надежным индикатором уровня развития индустриального комплекса развитых стран.

По этому критерию Россия на грани веков отстала от США и Японии в 5-20 раз (рис.1). В России уровень потребления РМ перестал расти после 1990 г., в то время когда в мире начался устойчивый рост их потребления на 4-9% ежегодно. К 1999 г. потребление РМ в России опустилось до рекордной отметки в 0,4 тыс. т. В России, начиная с 1980-х годов и до сих пор, не введено в действие ни одного нового предприятия по производству редких металлов. Объемы производства основных редких металлов за период 1991-2007 гг. сократились в 2-7 раз, потребление в 5-10 раз, тогда как в развитых странах динамика имеет противоположную направленность и темпы (рис. 1). Особенно тревожно положение дел с цирконием, ниобием, танталом, стронцием, иттрием, лантаном и лантаноидами средней группы. Реанимирование добычи и производства редких металлов – общенациональная государственная задача, без решения которой невозможно обеспечение технологической и оборонной безопасности государства /1/.

Рис. 1. Динамика потребления РМ в мире

Национальная безопасность и обороноспособность страны зависят от наличия у государства резервных запасов стратегических материалов:

- В США в конце ХХ века складские запасы по 107 видам СМ достигали трехлетней годовой потребности ОПК и превышали по стоимости 19 миллиардов долларов. В первую очередь создавались запасы дефицитных видов минерального сырья, по которым невозможно организовать в короткие сроки добычу из расположенных на территории США месторождений в таких масштабах, которые покрывали бы потребности страны (Sn, W, Mn, Cr, Sb, Ta, Nb, Zn и др.).

- Значительные запасы СМ накоплены в Китае.

- СССР был единственной страной в мире, способной полностью обеспечить свои потребности во всех стратегических видах минерального сырья.

Мурманская область как важнейшая часть российской сырьевой базы

Кольский полуостров является важной российской базой разнообразного минерального сырья. На площади менее одного процента территории России сосредоточены крупные источники десятков видов минеральных ресурсов федерального и регионального значений. Более 100 месторождений твердых полезных ископаемых имеют в современных условиях высокий инвестиционный и промышленный потенциал.

Важнейшими сырьевыми источниками федерального значения можно считать апатито-нефелиновые руды (АНР) Хибинских месторождений, лопаритовые руды Ловозерских месторождений, перовскито-титаномагнетитовые руды Африкандского и Вуориярвинского месторождений, ильменитовые руды месторождений Гремяха-Вырмесс и др., магнетитовые руды в Ковдорском и Оленегорском районах, кианитовые руды в Кейвах, месторождения платиновых и цветных металлов и многие-многие другие месторождения /2/. Значительная часть общероссийских запасов фосфатного, нефелинового, кианитового, титанового, редкометалльного, редкоземельного, вермикулитового, флогопитового и др. видов сырья приходится на Кольский полуостров. Появление и развитие нефтегазовой отрасли в Мурманской области, которая будет включать добычу, транспортировку и переработку углеводородного сырья, создает дополнительные преимущества и инвестиционную привлекательность для предприятий региона.

Экономика Мурманской области, как и России в целом, ориентирована преимущественно на эксплуатацию природных ресурсов, когда минеральные концентраты являются конечным продуктом. Примером тому являются наши горно-обогатительные предприятия – ОАО «Апатит», «Оленегорский ГОК», «Ковдорский ГОК», «Ковдорслюда», «Ловозерская горная обогатительная компания».
Вопросам минерально-сырьевой базы комплексных АНР, титано-редкометалльных и других руд Мурманской области посвящена обширная литература, которая постоянно пополняется результатами исследований научных и производственных организаций и поисковых геологоразведочных работ. Опубликованные работы позволяют составить объективное представление о доступности сырья, его запасах, наличии технических решений по переработке /3-6/.

Рациональное природопользование входит в одну из важнейших задач, от решения которой зависят уровень экономического развития страны и состояние её флоры и фауны, что в свою очередь определяет условия жизнедеятельности человека. С этой точки зрения Кольский полуостров значительно уступает не только соседним зарубежным государствам, но и многим регионам России. Горно-обогатительные предприятия, добывая огромное количество полезных ископаемых, лишь малую их часть используют с пользой. На месте хвостохранилищ образуются «новые месторождения». Почти 80-летний опыт работы ОАО «Апатит» по производству апатитового концентрата и лишь небольшой части извлекаемого нефелинового концентрата говорит в пользу комплексной переработки руд. Это находится в соответствии с международной концепцией устойчивого развития, которая рассматривает в качестве одного из основополагающих принципов – принцип рационального использования невозобновляемых сырьевых ресурсов и поиск альтернативных источников сырья.

Проблема повышения эффективности использования минерального сырья – важнейшая общегосударственная задача. Необходимость рационального использования минеральных ресурсов диктуется их ограниченностью и невоспроизводимостью, что приобретает особое значение в условиях высокой интенсивности эксплуатации месторождений, при которой используется лишь малая часть сырья. Например, отходы только ОАО «Апатит», накопленные за годы эксплуатации этого предприятия составляют порядка 0.8 млрд. тонн.

Между тем для производства титана и его производных (потребность в которых, например в пигментном диоксиде титана, практически неограниченная) сырье ввозится из-за рубежа, а при переработке комплексных апатито-нефелиновых руд Хибинских месторождений 100 тыс.т диоксида титана в составе сфена и титаномагнетита ежегодно отправляется в хвостохранилище /5/. Одновременно некомплексное использование полезных ископаемых является источником значительного количества промышленных отходов, отрицательно воздействующих на окружающую природу, что особенно актуально для северных регионов.

Развитые страны получают доходы от своего сырья в десятки раз выше, чем мы. В отличие от нас они продают не сырье, а продукты глубокой переработки, стоимость которых несоизмеримо выше.

Следует отметить, что в большинстве случаев наше сырье является комплексным и относится к нетрадиционным видам сырья, т.е. промышленность использует для переработки другие виды более простого по составу сырья. Вовлечение нового сырья ограничивает пригодность накопленного мировой практикой опыта переработки и требует создания принципиально новых технических решений. При этом более сложным является вопрос масштабов переработки нового сырья, т.к. пропорции готовых продуктов определяются составом концентратов и не всегда соответствуют потребностям рынка по отдельным продуктам. В России месторождения нетрадиционных титано-редкометалльных и алюмосиликатных руд выявлены во многих регионах от Кольского полуострова до Чукотки. Их прогнозные запасы по отдельным регионам (Урал, Дальний Восток, Северо-Запад) превышают десятки миллиардов тонн.

Химические производства в регионе

Фото 1. Производство алюмокремниевого коагулянта-флокулянта из нефелина на ОАО «Апатит»

Основные химико-металлургические процессы в области сосредоточены в ОАО «Кольская горно-металлургическая компания Норильский никель». Основные используемые процессы – пирометаллургические, но постоянно растет интерес предприятия к гидрометаллургическим процессам, т.е. жидкостным, способным решать трудные задачи недоступные для пирометодов и прежде всего зачищать огрехи последних.

Утилизируя сернистые газы, КГМК производит значительное количество серной кислоты, которая относится к распространенным широко используемым реагентам химических производств. Дополнительно могут быть повышены качество и цена продукции цветных металлов.
На предприятии ОАО «Апатит», которое считается горно-химическим производством, чисто химических производств пока мало. Можно отметить производство нескольких тысяч тонн коагулянтов и флокулянтов для обогатительного процесса, водоочистки и водоподготовки, производство взрывчатых веществ, чистящих паст, пигментов, наполнителей, красок, компонентов сварочных материалов. Потенциал «Апатита» и наличие свободных мощностей позволяют ему создавать крупные производства по получения глинозема, цемента, содопродуктов, соединений титана, галлия, рубидия, калия, минеральных удобрений, пигментов, сорбентов и мн.др. Главное, что у предприятия есть желание и уже существуют большие заделы, выполнены испытания новых технологий, а сырьем являются нынешние отходы обогащения руд. На фото 1 приведен общий вид производства алюмокремниевого коагулянта-флокулянта из нефелина.

Без химических операций процесс обогащения руд (прежде всего, флотационный) невозможно провести на любых горно-обогатительных комбинатах. На ОАО «Ковдорский ГОК» реализована также химическая технология кондиционирования бадделеитового концентрата, что позволило заметно увеличить его выпуск. Схема и фото цеха очистки бадделеитового концентрата приведены на слайде 2.

Работают химические лаборатории и установки по очистке жидких радиоактивных отходов на Кольской атомной станции, Атомфлоте, Северном флоте. Гордостью современной химии является ОАО «Северные кристаллы», расположенное в г. Апатиты. Именно монокристаллическая продукция этого предприятия была использована в международном проекте при строительстве калайдера. Фото некоторых видов продуктов приведено на слайде 3. По мировым меркам «Северные кристаллы» - крупное предприятие для производства изделий, используемых электронной промышленностью. Завод создан по разработке Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья (ИХТРЭМС). Технология постоянно совершенствуется, что позволяет заводу быть конкурентоспособным на мировом рынке «высоких» технологий, однако низкие потребности отечественной промышленности в новых материалах держат завод на голодном пайке.

Мы возлагаем надежды на развитие большой химии, прежде всего на ОАО «КГМК», «Апатит», «Ковдорский ГОК», ЗАО «Северо-западная фосфорная компания». Последнее предприятие приходит в область для разработки и комплексной переработки апатит-нефелиновых руд. Одновременно приближается начало освоения нефтегазовых месторождений на Севере, а значит, появится и переработка углеводородного сырья.

Участие ученых Кольского научного центра РАН в создании и развитии производства стратегических и импортозамещающих продуктов

Результаты междисциплинарных фундаментальных исследований, выполненные в КНЦ РАН, по технологии комплексного, преимущественно нетрадиционного сырья Кольского полуострова легли в основу разработки физико-химических основ переработки лопарита, перовскита, сфена, нефелина, эвдиалита медно-никелевых руд, отходов обогащения руд и др. сырьевых источников. Это позволило предложить методологические подходы и рекомендации по ключевым проблемам экономики комплексного использования природного сырья. Они являются достаточно универсальными и были использованы при подготовке технико-экономических обоснований и программ по повышению эффективности использования в целом регионального минерально-сырьевого комплекса Мурманской области, деятельности отдельных предприятий и разработке нормативно-методической документации рационального недропользования.

Первая внедренная разработка КНЦ РАН – технология лопаритового концентрата с получением соединений редких элементов, титановых пигментов, дубителя для кож и др. – была реализована на Сланцехимическом заводе в Эстонии в 1969 г. Лопарит и сегодня остается основным отечественным редкометалльным сырьем. Ключевые операции многих вариантов технологии других видов доступного комплексного титано-редкометалльного сырья региона успешно прошли испытания в масштабах от укрупненных до опытно-промышленных. Это позволяет надеяться на расширение отечественной сырьевой базы для производства стратегических, дефицитных и импортозамещающих продуктов и материалов.

Опытно-промышленное производство металлических натрия, калия, цезия, рубидия, метафосфатов щелочных металлов, рубидийсодержащих твердых электролитов, протиевых и дейтерированных гидроксидов рубидия и цезия и целого спектра особо чистых соединений редких щелочных элементов, используемых для выращивания монокристаллов для нужд электронной и лазерной техники, было создано в СССР на ОАО «Ловозерский ГОК» по разработкам КНЦ РАН. Сегодня оно, к сожалению, не действует.

Обозначим отдельные внедренные и находящиеся на стадии внедрения в настоящее время работы, выполненные с участием КНЦ РАН:

· технология танталата и ниобата лития для нужд электронной техники (ОАО «Северные кристаллы», г.Апатиты);

· технология алюмокремниевого коагулянта-флокулянта из нефелина для очистки природных, сточных и сбросных вод (ОАО «Апатит, г.Кировск; ОПЗ «Минудобрения», ОАО «Карельский окатыш», г. Костомукша);

· технология взрывчатых веществ (Акватол Т-20ГК. Гранулит-АК и Нитранит) (ОАО «Апатит» , г.Кировск);

· технология циркониевого порошка (ПО «Маяк», г.Соров); схемы и технологические режимы переработки отходов бадделеитового производства (ОАО «Ковдорский ГОК», г.Ковдор);

· кислотная технология сфенового концентрата с получением сорбентов и пигментов (ОАО «Апатит» , г.Кировск); организация производства особочистого кобальта (ОАО «Кольская ГМК», г.Мончегорск);

· технология очистки никелевых рафинатов цеха электролиза никеля от свинца с использованием метода электролиза (ОАО «Кольская ГМК»);

· экстракционная переработка некондиционных растворов производства меди с очисткой от цинка (ОАО «Кольская ГМК», г.Мончегорск);

· выделение осмия из отработанной анионообменной смолы путём гидротермальной обработки (ОАО «Кольская ГМК», г.Мончегорск);

· технология высокоёмких натриетермических танталовых и ниобиевых конденсаторных порошков, г.Апатиты;

· технологии сварочных материалов на основе минеральных концентратов и продуктов их переработки (ОАО «ПО «Севмаш»; г.Северодвинск, ОАО «Апатит», г.Кировск; ОАО «СМЗ», г. Соликамск).

Последняя работа позволяет реализовать выявленные резервы и разработанные новые подходы и технологии сварочных материалов, решать задачи повышения эксплуатационных характеристик металла сварных швов, прежде всего высокопрочных хладостойких сталей, предназначенных для освоения районов Крайнего Севера, Сибири и Арктического шельфа России. Запасы доступного уникального сырья Кольского полуострова и отходов горнопромышленных производств Северо-запада России достаточны для удовлетворения перспективных потребностей страны в сварочных материалах на длительную перспективу и обеспечения производства конкурентоспособных покрытых электродов и сварочных флюсов. Президент РАН, академик Осипов Ю.С., подводя итоги 2008 г., отметил в качестве положительного примера успешное сотрудничество ученых КНЦ РАН, ЦНИИ КМ «Прометей» и производственников по созданию нового поколения сварочных материалов на основе сырья Кольского полуострова.

Ряд продвинутых работ КНЦ РАН рекомендуется для реализации в промышленности:
· получение минеральных пигментов из сфенового и эгиринового концентратов (ОАО «Апатит»);
· технология титано-фосфатного сорбента и дубителя для кож из сфена (ОАО «Апатит»);
· технология комплексной переработки нефелина и нефелинсодержащих хвостов (ОАО «ЛГОК» и ОАО «Апатит»);
· технология сплавов, содержащих фосфор (медь-фосфор, железо-фосфор и др. на основе в фосфатного сырья региона;
· технология огнеупорных и строительных материалов на основе отходов обогащения и нерудного сырья.

В последние годы опережающее развитие в КНЦ РАН получили работы по материаловедению, в первую очередь, разработка научных основ получения материалов для электронной техники и других наукоемких производств. Успех на рынке высоких технологий в XXI веке в значительной степени будет обусловлен прогрессом в получении новых функциональных материалов. Так, сегнетоэлектрические кристаллы формируют многие новейшие направления электроники, акусто- и оптоэлектроники, лазерной техники, систем связи и автоматики, оптических запоминающих сред, технологии обработки материалов и медицинской техники.

Наши работы в области материаловедения включают совершенствование методов получения известных материалов и синтез новых на основе чистых металлов и их соединений, включая специальные керамики и монокристаллы с сегнетоэлектрическими, сегнетомагнитными и суперионными свойствами; высокотемпературные и традиционные сверхпроводники; конденсаторные материалы; композиционные материалы с металлической или керамической матрицей и покрытием из редких металлов или соединений на их основе; высокочистые щелочные, редкие, в т.ч. редкоземельные металлы, и их соединения; селективные сорбенты; катализаторы для органических производств. В частности, проведено систематическое изучение большого количества систем с фторидами и оксидами ниобия и тантала.

В совокупности с процессами получения, экстракционного разделения и очистки ниобия и тантала эти исследования позволили создать технологию синтеза высокочистых танталата и ниобата лития для нужд электронной техники. Технология отработана в опытно-промышленном масштабе на созданной в Институте химии КНЦ РАН установке и реализована в Апатитах на заводе материалов электронной техники (ОАО «Северные кристаллы»).

Предложен алгоритм и разработаны методы синтеза нано- и микроразмерных порошков стехиометрических метатитанатов стронция, бария, свинца, метаниобатов и метатанталатов щелочных элементов, твердых растворов на основе этих соединений, а также способы получения эпитаксиальных пленок метаниобата и метатанталата лития на изоструктурных подложках. Найден метод управления крупностью получаемых наноразмерных порошков.

Ведется широкий поиск новых типов ниобиевых и танталовых соединений с целью обнаружения материалов с интересными электрофизическими свойствами. Исследованы закономерности формирования свойств монокристаллов ниобата и танталата лития, как практически чистых, так и целенаправленно легированных примесями других элементов. В зависимости от характера влияния на электронную систему примесей, некоторые из них приводят к диэлектрическим, пьезоэлектрическим и спектральным аномалиям. Большой интерес представляют выполненные работы по повышению стойкости сегнетоэлектрических материалов к лазерному излучению. Установлено, что кристаллы ниобата лития конгруэнтного состава при легировании катионами малого радиуса в определенном диапазоне концентраций примесей обладают повышенной стойкостью к повреждению лазерным излучением и по своим оптическим характеристикам близки к кристаллам стехиометрического состава, выращивание больших размеров которых в производстве затруднено. Практические результаты основаны на глубоких теоретических исследованиях.

Работы металлургов Института химии КНЦ РАН по танталовым и ниобиевым объемно-пористым конденсаторам, являющимся неотъемлемой частью современной радиоэлектронной аппаратуры, представляют практический интерес. Для улучшения массо-габаритных и электрических характеристик отечественных конденсаторов и существенного снижения расхода металла необходимы танталовые или ниобиевые порошки с удельным зарядом на уровне от 20000 мкКл/г. Фото некоторых конденсаторов приведены на слайде 4. В Институте разработана и освоена в опытном производстве технология высокочистых соединений ниобия, тантала и на их основе высокоёмких натриетермических конденсаторных порошков с удельным зарядом до 80000 мкКл/г, не имеющих аналогов в отечественной практике. Опытно-промышленные партии порошков, наработанные в КНЦ РАН, используются отечественными предприятиями для выпуска серийной продукции и создания новых конденсаторов с улучшенными параметрами.

Исследования, проводимые в области металлургии, позволили получить новые материалы, в том числе с повышенными радиационнозащитными, триботехническими и механическими свойствами. Так, композиция алюминий-бор эффективна для защиты от излучения при транспортировке отработавшего ядерного топлива. Разработанный в КНЦ РАН на этой основе композиционный материал (слайд 5) использован (ВНИПИЭТ) при проектировании нового поколения транспортных упаковочных комплектов. При этом коэффициент полезной загрузки увеличился в 1,5 раза за счет большей эффективности нейтронной защиты и меньшего удельного веса нового материала.

В целом можно констатировать, что в КНЦ РАН разработан пакет крупномасштабных технологических разработок, требующих значительных капитальных вложений для их реализации, и малых высокоэффективных проектов. Многие проекты могут и должны реализовываться с участием базовых промышленных предприятий Мурманской области, что может стать основой для диверсификации производства и создания сети малых предприятий. Реализация хотя бы части разработанных в КНЦ РАН технологий может обеспечить в достаточно короткие сроки значительное повышение эффективности использования уникальных природных богатств Кольского полуострова. Принципиально новый подход к проблеме рационального использования природных ресурсов ориентирован на создание в регионе всей цепочки производств от горно-обогатительных до производящих конечную наукоемкую продукцию. Последняя определяет уровень технического прогресса в промышленности.

Это должно позволить не только сохранить высокий сырьевой потенциал региона, но и поднять его на новый уровень, обеспечивающий выход как на российский, так и на мировой рынок, прежде всего – рынок редкометалльной продукции, сварочных, строительных, пигментных и других материалов. Нами рассмотрены перспективы вовлечения нетрадиционного титанового, редкометалльного и алюмосиликатного сырья в промышленную переработку путем создания регионального обогатительно-металлургического комплекса. Создание такого комплекса позволит улучшить экономическую безопасность страны и обеспечить производство конкурентоспособной продукции, включая стратегические материалы. При этом будут реализованы высокие малоотходные технологии производства современных материалов. Важно отметить, что при этом дальнейшее развитие горнопромышленного комплекса и решение социально-экономических проблем региона может осуществляться без увеличения нагрузки на окружающую среду и ухудшения экологической обстановки.

Кольский научный центр РАН является одним из организаторов некоммерческой организации «Ассоциация национальных производителей и потребителей стратегических материалов», в рамках которой предполагается создание регионального Центра стратегических материалов, признанного решать проблемы обозначенные выше.

Использованная литература

1. Виноградов А.Н., Калинников В.Т., Петров В.П., Селин В.С., Цукерман В.А. Кольская горно-промышленная корпорация как ключевое звено государственного резерва стратегических материалов // Север – 2003: проблемы и решения. Апатиты: изд. КНЦ РАН, 2004. – С. 171-180.

2. Виноградов А.Н. Природные ресурсы Баренцрегиона. // Новые технологии для комплексного использования природных ресурсов Севера, Апатиты, 1994. – С.6-13.

3. Николаев А.И. // Переработка нетрадиционного титанового сырья Кольского полуострова. Апатиты, 1991. – 118 с.

4. Калинников В.Т., Николаев А.И., Захаров В.И. Гидрометаллургическая комплексная переработка нетрадиционного титано-редкометалльного и алюмосиликатного сырья. Апатиты: КНЦ РАН. – 1999. 225 с.

5. Химическая переработка минеральных концентратов Кольского полуострова С.Г.Федоров, А.И.Николаев, Ю.Е.Брыляков, Л.Г.Герасимова, Н.Я.Васильева. Апатиты. 2003. – 196 с.

6. Герасимова Л.Г. // Пигменты и наполнители из природного титансодержащего сырья и техногенных отходов. Апатиты, 2001, - 100 с.

7. Калинников В.Т., Лузин Г.П., Николаев А.И., Цукерман В.А. // Концепция создания производства титана и продуктов на его основе как фактор устойчивого развития Севера и основной сырьевой базы титана России. Химия в интересах устойчивого развития. 1997, 5, №2. С. 163-168.

8. Маслобоев В.А. Инновационный потенциал Мурманской области. // Север промышленный. 2007. № 3. с. 41-43.

9. Калинников В.Т., Николаев А.И., Брусницын Ю.Д. Перспективы использования минерально-сырьевой базы Карело-Кольского региона для производства сварочных материалов и флюсов. // Вопросы материаловедения. №1 (45). 2006. – С.201-211.

Наука - производству

Еще статьи на тему "производство":

Развитие производства стройматериалов в России

Отходы производства и потребления

Стратегическое партнерство - сплав образования, науки и производства

Новаторам производства с ним было легко

Кольская АЭС: работа на повышение безопасности производства

Возможности возрождения производства глиняного кирпича в Мурманской области

Metso уточнила планы по организации производства в России

Минерально-сырьевая база Кольского полуострова для производства сварочных материалов и флюсов

Новаторам производства с ним было легко